3.2. Общие сведения о составе грунтов

Между грунтами скальными, представляющими собой прочные кристаллические или сцементированные породы с жёсткими связями между отдельными зёрнами, и грунтами, образовавшимися в результате диагенеза (преобразования) по мере выветривания, переноса, осаждения и последующего уплотнения и переформирования продуктов выветривания, проявляется значительное различие. Остов (каркас) любых грунтов составляют твёрдые тела (иногда с включением льда), агрегатное состояние которых отличаются стабильностью формы и характером теплового движения атомов в амплитудах малых колебаний около положений равновесия.

Процессы физического (механического), химического и органического выветривания сопровождаются распадом, разрушением скальных грунтов на отдельные куски и частицы, размеры которых уменьшаются по мере углубления и развития процесса выветривания. Механическое измельчение и химическое воздействие, непрерывно протекающие в грунтовых толщах, приводят к постепенному накоплению всё более мелких частиц, вплоть до коллоидно-раздробленных. В итоге передислоцированные грунты с характерным (минеральным) зерновым составом приобретают свойства, присущие дисперсным системам (фильтрационность, миграционность воды, пучинистость, капиллярность, пластичность, связность, липкость, набухаемость, усадочность, тиксотропность и др.).

Дисперсные грунтовые системы (реальные горные породы и грунты) имеют различный фазовый состав, представленный одним или несколькими однородными частями (фазами), каждой из которых присущи характерные генетические особенности, свойства и поверхность раздела. Простейший состав – однофазный, в виде сплошной скальной породы. Двухфазные системы содержат в дополнение к твёрдой жидкую фазу – грунтовую или подземную воду (флюид¹⁶). Трёхфазные состоят из твёрдых частиц, воды и подземного газа. Четырёхфазные могут иметь своеобразную обратимую (временную) твёрдую фазу в виде льда – твёрдой модификации воды.

Пространство между твёрдыми частицами грунта, называемое грунтовыми пόрами, по́ровым пространством или общей пористостью, обычно в большей или меньшей степени заполнено жидкими (гл. 3.4) и(или) газообразными компонентами (гл. 3.5), в т.ч. загрязняющего состава, включая аэрозоли. Пористость, как доля объёма пор в общем объёме грунта, является важной относительной характеристикой грунта. Она предопределяет многие его физико-механические и строительные свойства. Пористость для песков составляет 20…55 %, глины рыхлой – 45…90 %, глины пластичной – 30…60 %, лёсса – 38…59 %, ила – 50…90 %, торфяных грунтов – 80…99 %, сапропелевых грунтов – 70…2000 %. Величина пористости зависит от совершенства упакованности твёрдых частиц и сопутствующих веществ в процессе литогенеза (естественного гравитационного самоуплотнения).

Повышенная пористость грунтовых отложений может быть целенаправленно снижена механическим уплотнением либо регулированием (подбором) гранулометрического состава путём введения в поры дополнительных, более мелких фракций по принципу «наибольшая плотность – наименьшая пористость», что делается, например, при расчёте состава тяжёлого бетона и асфальтобетона. При этом соотношение меньшего (подбираемого) размера зерна к большему составляет примерно 0,41.

Пористость, будучи относительной величиной, не зависит от диаметра сфер, что наблюдается и в реальных грунтах. Интервалы распределения пористости различных типов вышеперечисленных грунтов близки между собой, хотя их гранулометрический состав значительно разнится. При окатанных частицах грунт имеет меньшую (до 10 %) пористость, чем при остроугольных.

Пористость сыпучего грунта зависит от плотности сложения их частиц. Квазиустойчивая (рыхлая) структура укладки, например, зёрен однородного песка типа вольского (окатанного) имеет всего шесть соприкасаний между частицами, а пористость составляет 48 %. По мере совершенства укладки частиц растёт плотность до предельно устойчивой структуры. При этом число соприкасаний более 12, а пористость менее 25 %.

Усреднённой характеристикой пористости или дисперсности грунтов, а также иных измельчённых твёрдых материалов (цемента, любого порошка), является удельная поверхность – отношение суммарной поверхности частиц в одном грамме вещества. Эта поверхность является межфазной поверхностью раздела между твёрдой дисперсной фазой и жидкой и(или) газообразной средой. Удельная поверхность определяется по суммарной площади поверхности частиц, содержащихся в 1 г вещества:

S_s = , (3.1)

где S_s – поверхность удельная, м²/г; ΣS_p – сумма поверхности всех частиц, содержащихся в 1 г вещества; m_p – масса частиц, г.

Значения удельной поверхности изменяются в широких пределах: для песков S_s = 0,001…0,1 м²/г, для супесей и суглинков – 0,1…10 м²/г, для глин – 10…100 м²/г, для глин высокодисперсных (тяжёлых) – 100…800 м²/г.

Поведение, например, глинистых грунтов под нагрузкой в основании сооружений зависит от степени их дисперсности. Именно дисперсность определяет удельное сцепление, сжимаемость, пластичность, ползучесть и др. свойства глин. В песках пористость предопределяет их водно-физические свойства: влагоёмкость, водоотдача, водопроницаемость, капиллярные явления и др.